优化方法分析中新天津生态城雨水利用综合效益

作者:高宏超;李迎霞;张凯;张秀华;孔彦鸿 刊名:给水排水 上传者:余亚玲

【摘要】城市水资源的短缺使得雨水利用的必要性进一步增加,如何从城市水资源系统整体出发,定量评价雨水利用所带来的综合效益以及对其他系统的影响也越来越受到重视。通过运用水资源多目标优化配置方法并考虑分质供水后的情况,对中新天津生态城雨水利用的综合效益进行评价,结果表明,雨水利用不仅节约了其他水资源消耗,降低了供水成本,而且旱季和雨季污染物排放量均有明显减少,约减少17%。降雨频率、土地利用差异对雨水利用量及其利用效益有着明显的影响。

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0概述传统意义上,雨水利用的研究多注重于对补充城市水资源需求方面的效益。实际上,雨水利用的效益是多方面的,如:防止城市内涝,改善城市排洪状况;提高水资源利用效率;有效应对未来的极端气国家水体污染控制与治理科技重大专项(2009ZX07318-001-04);水环境模拟国家重点实验室课题(11Y03ESPCN)。候变化;涵养地下水;改善城市水环境质量等[1,2]。供水成本方面,雨水利用技术避免了大量的基础设施建设(管网、泵站等)以及能源消耗;水质处理方面,考虑到雨水本身的水质以及用途,其处理成本也低于其他供应方式[3]。所以只有综合考虑雨水利用多方面的效益,才能更好地体现雨水利用技术的价值。对相关研究进行总结发现,目前国内外关于雨水利用的研究一般包括宏观、微观两个方面。从宏给水排水Vol.38No.4201217观角度,研究者通常考虑某一区域内雨水利用的总供应潜力,并以此分析其对区域整体水资源供应的影响。研究方法多对雨水利用技术进行概化并运用统计学方法、经验公式法以及物质平衡原理对城市水资源利用的潜力进行核算,研究时间尺度多以月、年为主,概化单次降雨本身特点的影响;从微观角度,研究者以具体工程为研究对象,考虑降雨、收集、使用全过程,运用优化、模拟等方法,预测实际雨水利用能力。此类方法的结果更贴近实际情况,很少对大区域内雨水利用潜力进行评价。除此之外,多数研究均只对雨水利用本身进行分析,从城市水资源体系整体对其进行的研究并不多见。另一方面,多目标优化方法也经常在水资源配置研究中使用,该方法可以通过建立多方面优化目标的方式来对水资源供应进行优化分配,以此使城市水资源体系的综合效益最优。综上所述,本研究目的是利用水资源多目标优化配置方法将雨水利用纳入模型体系中,从满足城市水资源系统供需、成本、生态三方面最优的目的出发,建立优化模型,并对水资源分配进行优化,定量分析在城市水资源整体最优的情况下雨水可利用量以及对其他系统的影响。最后根据优化结果分析城市雨水利用的潜力以及综合效益。1模型的建立本模型主要由三部分组成:第一部分是利用物质守恒原理,建立模拟的城市水资源供需体系,明确各部分之间的相互联系;第二部分是对雨水利用过程的模拟和概化;第三部分是确定并建立多目标函数,以此对水资源分配的综合效益进行评价。1.1城市水资源供需体系的建立物质守恒模型是建立优化模型的前提,其目的在于准确表示系统中各部门之间的物质输入输出的关系。城市水资源系统一般包含多水源多用户,各自的输送途径及水质要求也不同,一般而言,为准确显示各部门各系统之间的相互关系,超结构网络模型经常会被使用。其优点在于忽略各部门的地理位置因素而重点突出其相互物质输送关系,从而在最小的损失下对系统进行模拟。1.2雨水利用模型雨水利用分析的难点之一在于降雨时间、强度的随机性而导致雨水供应的不确定。目前对区域内雨水利用的研究多以月降雨量或年降雨量进行计算,该方法考虑降雨量对雨水利用的影响,概化了降雨过程特征的影响;而另一方面工程类的雨水利用研究由于其对雨水利用过程研究的复杂性而很难快速分析较大区域的雨水利用能力,所以也需要一定的概化。一般而言,降雨间隔与降雨强度的差异会很大程度影响雨水利用能力。另一方面,为了消除降雨随机性对雨水利用模拟的影响,本次研究考虑使用月平均降雨量与平均降雨次数来概化不同月份的单次降雨量以及降雨间隔。此方法既避免了降雨随机性所带来的困难也增加了降雨特点对雨水利用的影响。具体细节方面,此次研究考虑屋面与路面的雨水利用,且二者雨水弃流状况差异也在公式中有所考虑。最大雨水利用量(Qtm,rahx

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